液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尹少波

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045300）

引言

隨著煤炭開采技術(shù)及綜采設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平的不斷提升，我國(guó)綜采工作面煤炭的產(chǎn)量不斷增加[1]。液壓支架作為綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人值守、智能化開采的關(guān)鍵，而其中的關(guān)鍵技術(shù)為液壓支架的自主跟機(jī)技術(shù)。自主跟機(jī)控制系統(tǒng)能夠大大降低工作面作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升支護(hù)效率。故，本文將根據(jù)工作面的開采需求設(shè)計(jì)一款液壓直接自主跟機(jī)控制系統(tǒng)，并驗(yàn)證其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的效果。

1 液壓支架概述

液壓支架作為綜采工作面的核心支護(hù)設(shè)備，根據(jù)支護(hù)方式的不同可將其分為支撐式、掩護(hù)式以及支撐掩護(hù)式液壓支架。液壓支架由機(jī)械部分、液壓驅(qū)動(dòng)部分以及機(jī)電液控制系統(tǒng)組成[2]。

1.1 液壓支架機(jī)械結(jié)構(gòu)

目前，寺家莊礦主要應(yīng)用的支架類型為掩護(hù)式液壓支架。掩護(hù)式液壓支架的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，液壓支架的核心機(jī)械結(jié)構(gòu)包括有頂梁、掩護(hù)兩、護(hù)幫板、立柱、千斤頂以及推移桿等。

圖1 液壓支架基本結(jié)構(gòu)

1.2 液壓支架的液壓驅(qū)動(dòng)部分

液壓支架的液壓驅(qū)動(dòng)部分主要包括有動(dòng)力部分、執(zhí)行部分以及控制部分。其中，動(dòng)力部分所指為乳化液泵；執(zhí)行部分所指為千斤頂、推移桿以及立柱等；控制部分所指為單向閥、截止閥以及換向閥等。基于液壓驅(qū)動(dòng)部分能夠完成液壓支架的升柱、降柱、推溜、移架、伸護(hù)幫、收護(hù)幫、伸平衡千斤頂以及收平衡千斤頂?shù)炔僮鱗3]。

1.3 液壓支架電液控制系統(tǒng)功能

液壓支架電液控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓支架實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并基于相關(guān)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的自動(dòng)化、智能化控制。液壓支架的電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其自主跟機(jī)的關(guān)鍵。

2 液壓支架自主跟機(jī)原理

所謂液壓支架的自主跟機(jī)指的是：當(dāng)采煤機(jī)在工作面正常運(yùn)行時(shí)，采煤機(jī)前方的液壓支架需自動(dòng)完成收護(hù)幫的操作，以防采煤機(jī)滾筒割到液壓支架的護(hù)幫；而采煤機(jī)后方的液壓支架需自主完成降柱、移架、推溜、升柱等一系列操作，及時(shí)完成對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行后方頂板的支護(hù)[4]。其自主跟機(jī)原理如圖2 所示。

圖2 液壓支架自主跟機(jī)原理圖

3 液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的組成

基于對(duì)液壓支架自主跟機(jī)原理的分析，可將自主跟機(jī)控制系統(tǒng)分解為電液控制子系統(tǒng)和順槽監(jiān)控子系統(tǒng)，其中電液控制子系統(tǒng)為自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的核心，其主要由各類傳感器、換向閥以及電液控制器組成。傳感器的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的支護(hù)位姿、推移位姿等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電液控制器根據(jù)傳感器所采集到的數(shù)據(jù)基于相應(yīng)控制算法得出對(duì)應(yīng)的控制策略，改變換向閥的開口方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓支架的各類操作。

順槽監(jiān)控子系統(tǒng)的主要任務(wù)是將傳感器所采集信息上傳于上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的遠(yuǎn)程控制，達(dá)到人機(jī)交互的目的。

4 液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

電液控制器作為液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的核心，本文的硬件設(shè)計(jì)主要是對(duì)電液控制器的硬件設(shè)計(jì)。為響應(yīng)自主跟機(jī)的控制需求，特設(shè)計(jì)如圖3 所示的電液控制器。

圖3 電液控制器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，電液控制器主要由MCU 控制單元、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及電磁驅(qū)動(dòng)模塊等組成。為確保能夠達(dá)到對(duì)液壓支架自主跟機(jī)的實(shí)時(shí)控制，將電液控制器中的監(jiān)測(cè)和控制功能分開。其中，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采集到的數(shù)據(jù)采用Ethernet 傳輸；針對(duì)控制所的控制指令采用Powerlink 傳輸。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓支架自主跟機(jī)操作的控制需求，與其相匹配的軟件可分為通信控制部分、位姿監(jiān)測(cè)部分以及遠(yuǎn)程操控部分。其中，通信控制部分是控制該系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的位置及類型；位姿監(jiān)測(cè)部分是對(duì)液壓支架的支護(hù)位姿和推移位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程操控部分是根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)液壓支架完成自主控制的部分[5]。很顯然，遠(yuǎn)程操控部分作為自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，其控制精度及實(shí)時(shí)性直接決定液壓能否能夠按照指定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)入指定位置，完成對(duì)工作面頂板的支護(hù)管理工作。自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的軟件界面如圖4 所示。

圖4 液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)軟件界面示意圖

5 液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的工業(yè)性試驗(yàn)

液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的核心控制依據(jù)為系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確掌握采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置。因此，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，可通過(guò)驗(yàn)證定位采煤機(jī)位置的精確性進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)試驗(yàn)，得出如表1 所示的采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置監(jiān)測(cè)值。

表1 采煤機(jī)監(jiān)測(cè)位置的效果驗(yàn)證

如表1 所示，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到采煤機(jī)距離液壓支架的距離與采煤機(jī)到液壓支架的實(shí)際距離的誤差幾乎可忽略不計(jì)。即說(shuō)明該自主跟機(jī)控制系統(tǒng)具有高精度的控制性能。

6 結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)的液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確獲取采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置，并對(duì)液壓支架的支護(hù)及推移位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)電液控制器完成液壓支架的自主跟機(jī)操作，可大大提升液壓支架的自動(dòng)化、智能化控制水平，降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升液壓支架的支護(hù)效率。